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(1.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 太原 030006；2.濟(jì)南大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250022)

引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)居住和工作環(huán)境的要求越來(lái)越高，這就使城市的樓宇建設(shè)越來(lái)越復(fù)雜，其復(fù)雜程度不僅體現(xiàn)在建筑外形上，還體現(xiàn)在樓宇內(nèi)的電氣控制及自動(dòng)化程度方面。

樓宇自控系統(tǒng)應(yīng)具有可靠性高、可操作性強(qiáng)、實(shí)時(shí)性好以及性價(jià)比高等特點(diǎn)。目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)樓宇的各個(gè)系統(tǒng)都分立工作，沒(méi)有形成總體監(jiān)控，使樓宇的監(jiān)管和維護(hù)變得復(fù)雜繁瑣，且成本高昂[1]。為解決此問(wèn)題，本文研究了一種基于STM32單片機(jī)和CAN總線的低成本樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)。

1 不同區(qū)域內(nèi)測(cè)控點(diǎn)的設(shè)計(jì)

把空間上分立的區(qū)域定為一個(gè)獨(dú)立區(qū)域，為維持這個(gè)區(qū)域內(nèi)的適宜環(huán)境，就不得不涉及多種子系統(tǒng)。如客房區(qū)域內(nèi)的空調(diào)系統(tǒng)和照明系統(tǒng)共同工作維持室內(nèi)溫度與亮度；再如門(mén)廳走廊區(qū)域，通過(guò)消防系統(tǒng)與門(mén)禁系統(tǒng)的合作便可隔離火源、抑制火災(zāi)等。集合如此多種不同的子系統(tǒng)，分別采用單片機(jī)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)最為合適。而在眾多的單片機(jī)中，STM32單片機(jī)具有很高的性價(jià)比，因此采用該系列單片機(jī)作為各個(gè)獨(dú)立測(cè)控點(diǎn)的MCU。

1.1 硬件配置

1.1.1 STM32系列單片機(jī)的性能特點(diǎn)

在高性能單片機(jī)中，STM32系列單片機(jī)的性能十分突出。它采用意法半導(dǎo)體公司的ARM Cortex-M3處理器作為內(nèi)核，使其性能與普通16位單片機(jī)相比有了質(zhì)的飛躍，且與其他32位處理器相比，其低成本、低功耗的特質(zhì)又顯得尤為突出[2]。以STM32F107為例，其主要技術(shù)特點(diǎn)有：

(1)低功耗。它的內(nèi)核采用130 nm專用低泄漏電流控制工藝，在開(kāi)啟所有外設(shè)的狀態(tài)下消耗電流僅為36 mA，在可喚醒低功耗模式下降低至可忽略的2 μA。

(2)一流的外設(shè)。翻轉(zhuǎn)頻率可達(dá)到18 MHz。5個(gè)4 MHz/s的UART，3個(gè)SPI模塊，兩路12位的A/D轉(zhuǎn)換器，兩路12位D/A轉(zhuǎn)換器以及1個(gè)溫度傳感器。兩個(gè)CAN2.0B型控制器，具有USB和以太網(wǎng)模塊?？蓾M足單個(gè)區(qū)域的多而復(fù)雜的檢測(cè)及控制要求。此外，新型產(chǎn)品還強(qiáng)化了音頻性能。結(jié)合USB功能，STM32可以從外部存儲(chǔ)器讀取、解碼和輸出音頻信號(hào)[3]。

1.1.2 區(qū)域控制原理

STM32單片機(jī)采用CAN總線把所有的系統(tǒng)聯(lián)系在一起，在特定的區(qū)域可能還會(huì)用到其他網(wǎng)絡(luò)，比如室內(nèi)智能家用電器通過(guò)無(wú)線網(wǎng)與戶主取得聯(lián)系，還設(shè)有其他網(wǎng)絡(luò)模塊。STM32系列單片機(jī)的I/O口最高可以達(dá)到112個(gè)，在設(shè)計(jì)時(shí)留出下載端口，I/O口預(yù)留10%～20%的冗余設(shè)計(jì)為可插拔端口，可在不影響原功能的前提下快捷地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。圖1給出了一個(gè)獨(dú)立區(qū)域的測(cè)控原理圖。

1.2 獨(dú)立測(cè)控點(diǎn)的測(cè)控策略

位于獨(dú)立區(qū)域中的STM32系列的單片機(jī)除了完成本區(qū)域內(nèi)的測(cè)控任務(wù)外，還兼顧處理CAN總線上傳來(lái)的參數(shù)信息。由于每個(gè)區(qū)域內(nèi)的測(cè)控內(nèi)容不同，則每個(gè)控制點(diǎn)的基本流程也不盡相同。

圖1 測(cè)控原理圖

2 總線通信的設(shè)計(jì)

整個(gè)樓宇內(nèi)有很多獨(dú)立的空間，有的空間內(nèi)需測(cè)控的參數(shù)數(shù)目眾多，而有的區(qū)域間信息互聯(lián)很緊密，因此線束量也很多。還有些區(qū)域間雖信息互不緊密但相隔較遠(yuǎn)，也要進(jìn)行長(zhǎng)距離的布線。此時(shí)如采用CAN總線技術(shù)，便可大量節(jié)省線束使用量。

2.1 CAN總線簡(jiǎn)介

20世紀(jì)70年代后期，汽車(chē)行業(yè)蓬勃發(fā)展，汽車(chē)內(nèi)的電子控制單元越來(lái)越多，多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的信息交流使得車(chē)內(nèi)的鏈接線束急劇增加。為此，德國(guó)BOSCH公司率先開(kāi)發(fā)出一種多主機(jī)的局部網(wǎng)，即CAN總線局域網(wǎng)，憑借其優(yōu)異的可靠性和靈活性，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、環(huán)境控制、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化等眾多領(lǐng)域[4]。

CAN總線除了在汽車(chē)電子系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化方面的優(yōu)勢(shì)十分明顯外，CAN總線的層結(jié)構(gòu)使其在通訊錯(cuò)誤檢測(cè)以及抗干擾等方面的表現(xiàn)也很突出[5]。

CAN總線的主要特點(diǎn)如下：

(1)通訊介質(zhì)和傳輸距離。CAN總線可用多種媒介作為數(shù)據(jù)通信介質(zhì)，最常用的是雙絞線并在連線末端加上匹配電阻，直接通訊距離可達(dá)到10 km，最高通訊速率達(dá)到1 Mbps。

(2)總線電平。CAN總線共有兩條帶電壓導(dǎo)線：CANH線和CANL線，兩條線上電壓值相同且為2.5 V時(shí)，即表示邏輯狀態(tài)為0；當(dāng)CANH線上的電平升高至3.5 V，CANL線上電平降至1.5 V，電壓差到達(dá)2 V時(shí)，即表示邏輯狀態(tài)為1[6]。

(3)通信協(xié)議。CAN總線屬于多節(jié)點(diǎn)串行通訊，任意節(jié)點(diǎn)以廣播的方式將信息發(fā)送至線上的其他所有節(jié)點(diǎn)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)需求留下所需信息。其信息是以幀的方式進(jìn)行傳遞的，而根據(jù)功能的不同，幀分為4種：數(shù)據(jù)幀、錯(cuò)誤幀、遠(yuǎn)程幀和過(guò)載幀。每個(gè)幀的最后一個(gè)域由7個(gè)退讓位組成[7]。

2.2 系統(tǒng)總線的硬件設(shè)計(jì)

CAN總線按信息傳播速度可分為高速總線和低速總線。在樓宇系統(tǒng)中，有些信息實(shí)時(shí)性很強(qiáng)，如漏電信號(hào)、火險(xiǎn)信號(hào)和門(mén)禁信號(hào)等，所以把這些信號(hào)掛接在高速CAN總線上，其余的實(shí)時(shí)性不是很強(qiáng)的信號(hào)可掛接在低速CAN總線上，這樣便可將分散在不同區(qū)域或同一區(qū)域的不同測(cè)控點(diǎn)連接起來(lái)。

2.2.1 CAN總線接口硬件電路

單片機(jī)讀寫(xiě)信號(hào)線TX和DX經(jīng)過(guò)光電隔離電路后，與CAN總線收發(fā)模塊PCA82C250相連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳遞，接口電路原理如圖2所示。

圖2 總線接口電路

2.2.2 CAN總線的冗余設(shè)計(jì)

在整個(gè)樓宇內(nèi)，二次裝修的時(shí)間和區(qū)域是不確定的。有時(shí)施工單位的變更，很可能在不知情的情況下破壞或阻斷CAN總線，導(dǎo)致通信故障。為使整個(gè)系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，CAN總線采用冗余設(shè)計(jì)，即把高速總線和低速總線都做成兩條，正常工作時(shí)，信號(hào)在總線1上傳遞，當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，在報(bào)警的同時(shí)，信息轉(zhuǎn)向另一條總線[8]。

2.3 通信流程

CAN總線的數(shù)據(jù)通信流程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信流程

CAN總線通訊的最主要部分為數(shù)據(jù)信息的發(fā)送部分和接收部分，以下是這兩部分的子程序。

2.3.1 CAN總線的數(shù)據(jù)發(fā)送子程序

Void User_CANTransmit(uint16_t val)

{

CanTxMsgTxMessage;

uint8_t TransmitMailbox;

TxMessage.StdId=val&0x7FF;

TxMessage.RTR=CAN_RTR_DATA;

TxMessage.IDE=CAN_ID_STD;

TxMessage.DLC=2;

TxMessage.Data[0]=val;

TxMessage.Data[1]=(val?8);

TransmitMailbox=CAN_Transmit(CAN1,&TxMessage);

while((CAN_TransmitStatus(CAN1,Tra nsmitMailbox)!=CANTXOK));

}

2.3.2 CAN總線的數(shù)據(jù)接收子程序

void CAN1_RX0_ISR(void)

{

if(CAN_GetITStatus(CAN1,CAN_IT_FMP0)!=RESET)

{

uint16_t ch;

CAN_ClearITPendingBit(CAN1,CAN_IT_FMP0);

CAN_Receive(CAN1,CAN_FIFO0,&RxMessage);

ch=(RxMessage.Data[1]?8)|RxMessage.Data[0];User_Uart1SendChar(ch);

}

}

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)多區(qū)域多子系統(tǒng)的特點(diǎn)，本文提出了一種可以完成樓宇自動(dòng)化基本任務(wù)且成本較低的設(shè)計(jì)方案，主要依靠STM32系列單片機(jī)的高性能與低成本的特性，以及CAN總線通訊的多主機(jī)和可冗余機(jī)制。在信息化和新材料技術(shù)快速發(fā)展的21世紀(jì)，樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的發(fā)展有著非常光明的前景，必然會(huì)成為智能建筑工程的重要基礎(chǔ)設(shè)施。同時(shí)，樓宇自動(dòng)化的科技水平也將成為國(guó)家綜合國(guó)力的一個(gè)具體體現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[4] 朱帥.基于CAN總線分布式電動(dòng)汽車(chē)充電站控制系統(tǒng)研究[D].贛州：江西理工大學(xué)，2012.

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